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生物学（新人教版）
生物技术与工程
第一章第3节
发酵工程及其应用
从社会中来
青霉素是世界上第一个应用于临床的抗生素，早期只能从青霉菌中提取少量青霉素，价格贵如金。
随着发酵技术的发展，如今一瓶规格160万单位的青霉素注射剂价格只要一元左右，那么工业上究竟是如何生产的呢？
01
发酵工程的基本环节
(1)菌种的选育：性状优良的菌种可以从自然界中筛选出来，也可以通过诱变育种或基因工程育种获得。
(2)扩大培养：接入的菌种总体积需要的量大，在发酵之前还需要对菌种进行扩大培养。
(3)配制培养基：在菌种确定之后，要选择原料制备培养基。
(4)灭菌：培养基和发酵设备都必须经过严格的灭菌。
(5)接种。
(6)发酵罐内的发酵：这是发酵工程的中心环节。
①在发酵过程中，要随时检测培养液中的微生物数量、产物浓度等，以了解发酵进程。还要及时添加必需的营养组分，要严格控制温度、pH和溶解氧等发酵条件。
②对发酵过程中的温度、pH、溶解氧、罐压、通气量、搅拌、泡沫和营养等进行监测和控制；并进行反馈控制，使发酵全过程处于最佳状态。
发酵罐示意图：
抽取样本进行检测
调节罐温
调节罐压
控制溶解氧
使微生物与发酵液混合均匀，加快O2的溶解以及散热
(7)分离、提纯产物
①如果发酵产品是微生物细胞本身，可在发酵结束之后，采用过滤、沉淀等方法将菌体分离和干燥，即可得到产品。
②如果产品是代谢物，可根据产物的性质采取适当的提取、分离和纯化措施来获得产品。
(8)获得产品
发酵工程基本环节分析
选育菌种
扩大培养
配置
培养基
灭菌
接种
发酵罐内发酵
分离、提纯产物
获得产品
①从自然界中筛选的常规菌种
①配置原则：目的明确、营养协调、pH适宜
①目的：防止杂菌污染
①检测培养液中的微生物数量、产物浓度等
地位：中心环节
②通过诱变育种或基因工程育种获得
②营养构成：水、无机盐、碳源、氮源等
②对象：培养基和发酵罐
②及时添加必需的营养物质组分来延长菌体生长稳定期的时间，以得到更多的发酵产物
②代谢物：适当的提取、分离和纯化措施
③严格控制温度、pH、溶解氧、通气量与转速等发酵条件
③注意：培养基使用前要经过反复试验才能用于大规模生产
条件：环境条件稳定、温和，利于菌种生长繁殖
目的：增加菌种数量
所用培养基：液体培养基或固体培基
①菌体本身：过滤、沉淀
监控
途径
思考与讨论：
结合图1-9，分析和讨论以下问题。
1. 微生物菌种资源丰富，选择发酵工程用的菌种时需要考虑哪些因素？
需要考虑的因素包括：在低成本的培养基上能迅速生长繁殖；生产所需代谢物的产量高；发酵条件容易控制；菌种不易变异、退化等。
2. 怎样对发酵条件进行调控以满足微生物的生长需要？
要对温度、pH、溶解氧等发酵条件进行严格控制，使其最适合微生物的生长繁殖，同时及时添加必要的营养组分。
3. 在产物分离和提纯方面，发酵工程与传统发酵技术相比有哪些改进之处？
传统发酵技术获得的产物一般不是单一的组分，而是成分复杂的混合物，很多时候不会再对产物进行分离和提纯处理，或者仅采用简单的沉淀、过滤等方法来分离和提纯产物。
发酵工程中使用的分离和提纯产物的方法较多。在产物的初分离阶段，常采用沉淀、萃取、膜分离、吸附和离子交换等方法；在进一步纯化阶段，会采用液相层析法、结晶法等方法。发酵工程产物无论是代谢物还是菌体本身，都需要进行质量检査,合格后才能成为正式产品。
4. 在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？
不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产,应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
02
发酵工程的应用
一、在食品工业上的应用
①生产传统的发酵产品，如酱油、各种酒类等。
②生产各种各样的食品添加剂，如食品酸度调节剂——柠檬酸，增味剂——谷氨酸钠等。
③生产酶制剂，如淀粉酶、果胶酶等。
思考与讨论：
1. 与传统的手工发酵相比，在下面啤酒的发酵生产过程中，哪些工程手段使啤酒的产量和质量明显提高？
菌种的选育、对原材料的处理、发酵过程的控制、产品的消毒等，都有助于提高啤酒的产量和品质。
2. 现在市面上流行一种“精酿”啤酒，它的制作工艺一般不添加食品添加剂、不进行过滤和消毒处理等。有人认为饮用“精酿”啤酒比饮用“工业”啤酒更健康，你怎么看待这个问题？
应该辩证地看待这一产品。一方面，这类产品具有多样化的特点，能够满足一些人对独特口感的需求。另一方面，这类产品是手工作坊式生产的，存在啤酒品质不稳定、价格昂贵的问题。
3. 在进行发酵生产时，排出的气体和废弃培养液等能直接排放到外界环境中吗？为什么？
不能。因为在进行发酵生产时，微生物及其代谢物中都可能含有危害环境的物质。为了减少或避免污染物的产生和排放，实现清洁生产,应该对排出的气体和废弃培养液进行二次清洁或灭菌处理。
二、在医药工业上的应用：如生产抗生素、激素、疫苗等。
（4）、利用基因工程将病原体的抗原基因转入微生物细胞，制成生物疫苗。
通过诱变的青霉菌发酵生产青霉素
（3）、未来可能用微生物生产过去只能从植物中分离提取的紫杉醇、
青蒿素前体等。
（2）、直接对菌种进行改造,再通过发酵技术大量生产所需要的产品
（1）、采用基因工程的方法,将植物或动物的基因转移到微生物中,获得具有某种药物生产能力的微生物
三、在农牧业上的应用
①生产微生物肥料
②生产微生物农药
③生产微生物饲料
四、在其他方面的应用
①利用纤维废料发酵生产酒精、乙烯等能源物质。
②利用嗜热菌、嗜盐菌生产洗涤剂等。

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